高校節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

李偉根

摘要：在全面響應(yīng)國務(wù)院“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃，進(jìn)一步加快大專院校節(jié)約型校園建設(shè)的步伐，促進(jìn)節(jié)能減排工作縱深發(fā)展，使各高校盡快達(dá)到國家節(jié)約型校園建設(shè)的總體要求下，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）開始了節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)工作。主要完成了全校用水用電的數(shù)據(jù)采集工作，并在此基礎(chǔ)上按照國家住建部、教育部相關(guān)節(jié)能導(dǎo)則要求，進(jìn)行了能耗的指標(biāo)化、定額化管理，生成了各種能源審計(jì)報(bào)告、節(jié)能管理模型，通過一系列的數(shù)據(jù)加工和處理，全面提升了學(xué)校節(jié)能管理技術(shù)水平及節(jié)能意識，為下一步的碳交易打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)傳抄表、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)軟件、能耗分析、B/S和C/S架構(gòu)、碳交易

中圖分類號： Tp277文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01 （a）-0000-00

一、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)前學(xué)校用能存在的問題

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）主要消費(fèi)能源種類就是水和電。其中，主要用電設(shè)備為實(shí)驗(yàn)儀器、空調(diào)、照明、電梯、辦公設(shè)備以及其他電耗設(shè)備，近幾年水電用量一直在不斷增長，歸納原因主要包括學(xué)生擴(kuò)招、建筑增多、缺乏有效的用能管理手段、水電用量計(jì)量設(shè)備陳舊、水管網(wǎng)陳舊漏損嚴(yán)重、節(jié)水節(jié)電意識不強(qiáng)。

二、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)目的

建立學(xué)校建筑節(jié)能監(jiān)管體系，實(shí)現(xiàn)通過能源審計(jì)工作，發(fā)現(xiàn)用能中存在的問題，完善管理制度，優(yōu)化能源管理。借助能耗定額管理機(jī)制，規(guī)范用能意識。最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能量化目標(biāo)，為下一步的碳交易提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1、實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)測，促使節(jié)能監(jiān)管向縱深發(fā)展，系統(tǒng)監(jiān)測范圍涵蓋學(xué)校三大主要區(qū)域，教學(xué)區(qū)域、生活區(qū)域和運(yùn)動區(qū)域，不僅對各區(qū)域能實(shí)現(xiàn)分棟、分層、分戶進(jìn)行監(jiān)測，而且能實(shí)現(xiàn)對各區(qū)域用能分項(xiàng)監(jiān)測，即對水、電、氣進(jìn)行監(jiān)測和控制，可實(shí)現(xiàn)對學(xué)校內(nèi)任何區(qū)域的用能進(jìn)行分類和分項(xiàng)監(jiān)測管理。在具體實(shí)施時(shí)，根據(jù)投資情況、進(jìn)度規(guī)劃等分期、分批實(shí)施，保證實(shí)施一步并達(dá)到每一步應(yīng)有的成效。

2、提供豐富的用能管理手段，學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)、管理者及能源管理數(shù)據(jù)中心管理專員僅需在中心平臺的控制室就可以通過觸控、遙控等方式查看各個(gè)區(qū)域、各個(gè)部門、各個(gè)房間的用能情況，能及時(shí)提醒（包括短信、微信、網(wǎng)站發(fā)布等）和預(yù)警重點(diǎn)用能部門、樓棟，促使各用能院系和部門自覺調(diào)整月度或年度用能額度，為學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和用能管理機(jī)構(gòu)提供了豐富靈活的用能管理手段，包括遠(yuǎn)程控制用能開關(guān)、啟動收費(fèi)等管理模式。

3、實(shí)現(xiàn)用能總量控制和精細(xì)化管理為學(xué)校用能管理提供科學(xué)管理手段、為用能單位內(nèi)部提供精細(xì)化管理和有效決策依據(jù)。為用能管理提供信息化和智能化支撐，促使學(xué)校、各級單位實(shí)現(xiàn)總量控制和節(jié)能任務(wù)定額分配，宏觀上實(shí)現(xiàn)總量控制，微觀上實(shí)現(xiàn)各部門指標(biāo)精細(xì)化控制。

4、實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益，根據(jù)大專院校節(jié)約型校園建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)方案的工作計(jì)劃和實(shí)施的建筑面積，按照建立監(jiān)管體系而提升的能源利用率，通過該項(xiàng)工作的開展，節(jié)能監(jiān)管體系建立后，預(yù)期年總能耗可足額足量完成國家節(jié)能減排規(guī)劃——公共機(jī)構(gòu)單位建筑面積能耗指標(biāo)的要求。

三、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)完全符合《高等學(xué)校校園建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則》的要求，結(jié)合學(xué)校的能耗管理現(xiàn)狀和信息化建設(shè)現(xiàn)狀，滿足學(xué)校建設(shè)節(jié)約型校園的總體要求。各類設(shè)備安裝達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確及時(shí)上傳，指令能有效執(zhí)行，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并通過住建部、國家民委、財(cái)政部的聯(lián)合驗(yàn)收；方案具有設(shè)計(jì)上的先進(jìn)行；運(yùn)維上的擴(kuò)展性和穩(wěn)定性，并對系統(tǒng)的二次開發(fā)功能提出具體要求，為將來系統(tǒng)完善功能提供準(zhǔn)備，確保平臺處于全國高校范圍領(lǐng)先地位。

1、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、有效性

充分利用校園內(nèi)已有系統(tǒng)資源優(yōu)化方案降低成本。通信網(wǎng)絡(luò)采用學(xué)校校園網(wǎng)絡(luò)，針對局部網(wǎng)絡(luò)狀況不佳的情況，進(jìn)行必要的網(wǎng)絡(luò)升級改造，不但能有效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)，又能將學(xué)校校園網(wǎng)絡(luò)得到延伸，為學(xué)校的教學(xué)管理提供便利，一舉多得。學(xué)校學(xué)生公寓用電部分已經(jīng)采用了網(wǎng)絡(luò)化的智能電表，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)由校園網(wǎng)絡(luò)的學(xué)生公寓用電數(shù)據(jù)采集，家屬區(qū)水電表已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)付費(fèi)卡表管理，針對這些計(jì)量器具本次平臺設(shè)計(jì)必須無縫包含已有的各個(gè)水電管理系統(tǒng)，以減少系統(tǒng)建設(shè)成本，合理利用資源。

2、穩(wěn)定與可維護(hù)性

采用具有出現(xiàn)故障時(shí)能夠迅速恢復(fù)并有適當(dāng)?shù)膽?yīng)急措施；如：采用容錯(cuò)功能的服務(wù)器及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，選用雙機(jī)備份、Cluster技術(shù)的硬件設(shè)備配置等方案；每臺設(shè)備均考慮可離線應(yīng)急操作，設(shè)備間可相互替代；采用數(shù)據(jù)備份恢復(fù)、數(shù)據(jù)日志、故障處理等系統(tǒng)故障對策功能；可靈活設(shè)置系統(tǒng)管理硬件設(shè)備的配置、刪減、擴(kuò)充、端口設(shè)置、分組管理等，系統(tǒng)地管理軟件平臺，系統(tǒng)地管理并配置應(yīng)用軟件；應(yīng)用軟件采用的結(jié)構(gòu)和程序模塊化構(gòu)造，要充分考慮使之獲得較好的可維護(hù)性、可移植性和可擴(kuò)展性，即可以根據(jù)需要修改某個(gè)模塊、增加新的功能以及重組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以達(dá)到程序可重用的目的。

3、統(tǒng)一性、模塊化和可擴(kuò)充性

節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)建設(shè)在學(xué)校數(shù)字化校園平臺及監(jiān)管平臺的統(tǒng)一規(guī)劃下進(jìn)行，各種數(shù)據(jù)定義、設(shè)備命名、訪問門戶等都保持與學(xué)?，F(xiàn)有系統(tǒng)、現(xiàn)有稱謂等的一致性，降低人機(jī)交互的難度，有利于系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。這里尤其是訪問門戶要與學(xué)校網(wǎng)絡(luò)中心門戶認(rèn)證系統(tǒng)保持一致，還有一卡通等支付系統(tǒng)的對接應(yīng)用。

水電氣各個(gè)子系統(tǒng)的用量計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析、信息發(fā)布、催費(fèi)繳費(fèi)、登錄身份認(rèn)證等在學(xué)校統(tǒng)一的數(shù)據(jù)軟件上完成。各個(gè)子系統(tǒng)既相互獨(dú)立又相互關(guān)聯(lián)，在平臺下運(yùn)行，都可以實(shí)現(xiàn)“即插即用”模式。

4、實(shí)時(shí)性、并行性

考慮到采集點(diǎn)的數(shù)量，系統(tǒng)需采用傳輸速度快的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，保證信息數(shù)據(jù)的及時(shí)有效；系統(tǒng)具備自動并行數(shù)據(jù)上傳和對多個(gè)遠(yuǎn)程采集點(diǎn)并行數(shù)據(jù)獲取的功能，信道處理IPC應(yīng)具備負(fù)載均衡處理能力，保證信道的暢通。

結(jié)合硬件平臺，系統(tǒng)時(shí)間特性如下：數(shù)據(jù)采集平均響應(yīng)時(shí)間<5S，最長響應(yīng)時(shí)間<10S；數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)平均響應(yīng)時(shí)間<3S，最長響應(yīng)時(shí)間<5S；統(tǒng)計(jì)分析平均響應(yīng)時(shí)間<4S，最長響應(yīng)時(shí)間<8S；空間分析平均響應(yīng)時(shí)間<5S，最長響應(yīng)時(shí)間<10S。

四、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)及方案

（一）、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)軟件采用B/S架構(gòu)與C/S架構(gòu)有機(jī)結(jié)合的方式，B/S架構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)查詢的需求， B/S架構(gòu)面向各院系和部門，能夠查詢各類的能源數(shù)據(jù)、報(bào)表、歷史曲線圖形等等。

用C/S架構(gòu)的軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能源實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，C/S架構(gòu)面向能源管理部門，能夠詳細(xì)的監(jiān)控校園內(nèi)各級用能狀況、設(shè)備運(yùn)行狀況等。CS軟件與現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)控制器的數(shù)據(jù)接口應(yīng)采用國際通用的OPC Server。

（二）軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1+X模式：即一個(gè)核心平臺系統(tǒng)，通過服務(wù)擴(kuò)展，可以任意拓展其他子系統(tǒng)以及與第三方系統(tǒng)對接的模式。

系統(tǒng)通訊模式：子系統(tǒng)與節(jié)能監(jiān)管平臺之間，采用TCP/IP協(xié)議；子系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，采用TCP/IP協(xié)議、485協(xié)議或其他通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)與電能表之間，采用TCP/IP協(xié)議、485協(xié)議或其他通用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

物理鏈路：主干網(wǎng)絡(luò)采用光纖通訊、局部光纖和通訊電纜、特殊位置可以考慮無線通訊。

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，基于面向服務(wù)構(gòu)架（SOA）。從上圖可以看到，整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)從軟件層次上主要分為基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、展示層。各層次的作用說明如下：

基礎(chǔ)設(shè)施

這是保障系統(tǒng)正常運(yùn)行和擴(kuò)充的基礎(chǔ)。包括校園網(wǎng)絡(luò)、路由器、采集儀表、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器、客戶端硬件、服務(wù)器系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)采集及校園其他系統(tǒng)、監(jiān)管平臺對接的應(yīng)用運(yùn)行的基于標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的信息軟件。

數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，處理能耗數(shù)據(jù)的采集、處理、上報(bào)、接收、存儲、監(jiān)測、決策、控制、收費(fèi)等。通過網(wǎng)絡(luò)、硬件、采集儀表、采集器完成用能實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)的采集、預(yù)付費(fèi)管理等；對于外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)的接口服務(wù)完成與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。

服務(wù)層

可分為基礎(chǔ)服務(wù)層和應(yīng)用服務(wù)層。基礎(chǔ)服務(wù)層提供業(yè)務(wù)組件服務(wù)和公共組件服務(wù)?；A(chǔ)服務(wù)層的數(shù)據(jù)二次計(jì)算服務(wù)通過對原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后儲存到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用服務(wù)層把復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯、龐大的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、復(fù)雜的數(shù)據(jù)格式等封裝成服務(wù)，對封裝的服務(wù)進(jìn)行自由組合與編排，快速進(jìn)行不同應(yīng)用模塊之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)交換。

展示層

展示層是面向?qū)W校師生及社會的公開數(shù)據(jù)，主要展現(xiàn)用能數(shù)據(jù)公示。各層次需要將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和執(zhí)行邏輯盡量分離，為了建立各層之間的松散耦合的關(guān)系，各層通過統(tǒng)一的服務(wù)接口來傳遞數(shù)據(jù)，形成具有高度可擴(kuò)展的應(yīng)用平臺架構(gòu)。

（三）、各個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

1、設(shè)計(jì)原則

對校內(nèi)要改造的樓棟實(shí)行三級計(jì)量，對有條件和需求的重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)也可以實(shí)行四級計(jì)量。計(jì)量的分級按照以下原則實(shí)施：

行政、教輔類單位：以處級單位為二級單位安裝二級表計(jì)，以每間辦公室為三級單位安裝三級表計(jì)。

教學(xué)類單位：以學(xué)院為二級單位安裝二級表計(jì)，以每間實(shí)驗(yàn)室為三級單位安裝三級表計(jì)。

后勤類：

a、經(jīng)營性：以各個(gè)經(jīng)營實(shí)體為二級單位安裝二級表計(jì)，根據(jù)實(shí)際需要適當(dāng)安裝三級表計(jì)。

b、服務(wù)性：以科室為二級單位安裝二級表計(jì)，以每個(gè)辦公室為三級單位安裝三級表計(jì)

公共類及其他（含學(xué)生宿舍公共用電）：以每棟樓為二級單位安裝二級表計(jì)，以每層樓或者每間房為三級單位安裝三級表計(jì)，

根據(jù)學(xué)校不同的建筑類型、不同的用能單位及不同的用電類型進(jìn)行分建筑、分部門、分類、分項(xiàng)電能統(tǒng)計(jì)。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘節(jié)能潛力，優(yōu)化用能收費(fèi)與相關(guān)管理制度。根據(jù)各個(gè)部門的用電監(jiān)測情況制定用電定額量，督促用能單位及個(gè)人進(jìn)行節(jié)能減排工作。

2、子系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)使用RS485方式平均每5分鐘采集一次表計(jì)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并將采集的數(shù)據(jù)主動上傳平臺中心服務(wù)器。服務(wù)器實(shí)時(shí)處理保存采集的數(shù)據(jù)，如檢測分析到異常問題會將報(bào)警信息及時(shí)發(fā)送給相關(guān)管理人員。用戶可以在學(xué)校任意一個(gè)校園網(wǎng)覆蓋的地方，通過瀏覽器、手持終端設(shè)備訪問平臺隨時(shí)辦公。

3、子系統(tǒng)功能

電表信息實(shí)時(shí)在線采集、監(jiān)測、圖表分析及日、月、年度的環(huán)比、同比報(bào)表。

子系統(tǒng)自動采集電表的實(shí)時(shí)電量和功率，采集間隔設(shè)置為5分鐘一次，定時(shí)自動整理表計(jì)的日電量、月電量，并提供查詢窗口，以便用戶隨時(shí)查詢歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)、日用量、月用量、年用量，及電量的同比環(huán)比分析。

各種建筑（部門）的統(tǒng)計(jì)、查詢、分析為各個(gè)樓棟、部門用電提供考核管理依據(jù)。

建筑（部門）用電明細(xì)：根據(jù)用戶輸入的起止時(shí)間查看建筑（部門）內(nèi)各個(gè)表計(jì)的用電量，并提供導(dǎo)出功能。

用電統(tǒng)計(jì)：建筑（部門）用電統(tǒng)計(jì)主要是提供用電報(bào)表查詢，主要包括：用電年度臺賬、用電月度臺賬、用電年度匯總、用電月度匯總、用電逐月度匯總。用戶可以選擇建筑（部門）、時(shí)間、等相關(guān)信息進(jìn)行報(bào)表操作。系統(tǒng)自帶快捷的報(bào)表設(shè)計(jì)器，普通的使用人員可以輕易的掌握一些基本的編輯功能。

用電分析：用電分析功能是對建筑（部門）已經(jīng)使用了的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析，以表格+圖形的方式表現(xiàn)。分析方式有按建筑（部門）比較、按建筑（部門）逐日、按建筑（部門）逐月、按用電性質(zhì)、按用電分項(xiàng)。

用電模型、待機(jī)功耗為學(xué)校電網(wǎng)異常用電現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)提供分析依據(jù)，電流異常短信提醒。

電能匹配模型是節(jié)能平臺中重要的功能，也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要節(jié)能手段，本系統(tǒng)采用能耗超標(biāo)的短信提示形式，告知對應(yīng)管理聯(lián)系人。節(jié)能監(jiān)管模型包括待機(jī)功耗模型及用電匹配模型兩部分。待機(jī)功耗模型通過配置待機(jī)功耗參數(shù)監(jiān)測待機(jī)能耗情況；用電匹配模型通過單獨(dú)配置電表能耗限定，來監(jiān)測能耗情況。

定額管理為未來各獨(dú)立部門用電考核以及各辦公室、公共實(shí)驗(yàn)室用電考核、收費(fèi)管理創(chuàng)造條件。根據(jù)各個(gè)部門不同的情況（如部門人數(shù)，耗能設(shè)備數(shù)量等），對各個(gè)部門進(jìn)行能源定額管理；提供定額分配明細(xì)查詢功能；電能定額一覽：查詢已分配的定額狀況及當(dāng)期定額使用狀況，添加、編輯、刪除定額信息。

4、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)拓展功能介紹

學(xué)校信息技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)具備了諸多智能化系統(tǒng)（如財(cái)務(wù)系統(tǒng)、門戶系統(tǒng)、一卡通系統(tǒng)、用電監(jiān)控系統(tǒng)、用水監(jiān)控系統(tǒng)等），這些應(yīng)用系統(tǒng)是寶貴的資產(chǎn)和財(cái)富，應(yīng)該為企業(yè)或單位繼續(xù)發(fā)揮應(yīng)有的價(jià)值。應(yīng)用集成（EAI）的目的就是充分發(fā)揮現(xiàn)有系統(tǒng)的功能，連接各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，為更高水平的應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

五、節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)項(xiàng)目實(shí)施總結(jié)

經(jīng)過近2年的建設(shè)，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)于2012年正式投入運(yùn)行，在不斷完善系統(tǒng)軟件功能的同時(shí)，學(xué)校也針對節(jié)能管理體系進(jìn)行了建設(shè)，節(jié)能宣傳的的工作也有效的進(jìn)行了開展，節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的各項(xiàng)目的基本完成。尤其是在2014年和2015年，在全校增加不少空調(diào)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上水電用量，在2013年的基礎(chǔ)上反而有所減少，這些都得益于節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，為學(xué)校取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2]高等學(xué)校節(jié)約型校園示范建設(shè)工作會議—會議材料 同濟(jì)大學(xué) 中國上海2009。

[3]《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50189——2005 .2005.5。

[4]《公共建筑節(jié)能改造技術(shù)規(guī)范》JGJ176——2009.2009.10。

[5]任羽中 甘露 如何建設(shè)節(jié)約型校園 科學(xué)時(shí)報(bào) 2006.12。

[6] 王旭東 試論高校校園能源管理網(wǎng)絡(luò)平臺之構(gòu)建 職業(yè)教育研究 2011.1。

[7] 陳峰 殷帥 北京交通大學(xué)節(jié)約型校園建設(shè) 建設(shè)科技2010.3。